ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ЭНЕРГОАУДИТА

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Теплотехнические расчеты проводятся для определения расхода топ­лива, окислителя и дополнительно вводимых газов (используемых для снижения температуры продуктов горения) с целью получения теплоноси­теля заданной температуры (за счет создания смеси с продуктами горения), количества и химического состава.

В зависимости от типа, режима и технологии, применяемых в тепло - технологических установках, тепловой баланс составляется на 1 час работы или за весь цикл (или отдельные периоды времени внутри цикла). Для теп - лотехнологических установок непрерывного действия тепловой баланс со­ставляется за 1 час работы при установившемся режиме. Для теплотехно - логических установок периодического действия тепловой баланс обычно составляется за весь цикл работы. Тепловые балансы теплотехнологиче - ских установок непрерывного и периодического действия несколько разли­чаются в расходной части.

Тепловой баланс составляется обычно для всей установки, но может составляться только для рабочей камеры. Тепловой баланс теплотехноло - гических установок представляет собой равенство: где ^прих - приходная часть теплового баланса, воспринимаемая теплоту, поступающую в тепловую установку с топливом, воздушной смесью, нагретым материалом и технологическим оборудованием; ^расх - расход­ная часть теплового баланса, включающая теплоту, расходуемую на нагрев материала до требуемой температуры, теплоту с уходящими продуктами сгорания, с химической и механической неполнотой сгорания топлива, теплоту, теряемую поверхностью установки в окружающую среду и др.

В зависимости от конструкции теплотехнологических установок, ее назначения, вида используемого топлива и условий эксплуатации в тепло­вом балансе могут участвовать и другие статьи прихода и расхода теплоты. Из уравнения теплового баланса определяется расход топлива или подача пара (теплоносителя), необходимого для теплотехнологического процесса. Тепловой баланс позволяет судить об экономичности процесса нагрева ма­териала или вещества, эффективности использования топлива, а также по­казывает возможности и направления совершенствования работы тепло - технологических установок.

Приходная часть баланса теплоты

1. Химическая теплота сгорания топлива

Qхим = в Q, кДж/ч,

Где В - расход топлива, м /ч, кг/ч; Q - низшая теплота сгорания топлива, кДж/м3, кДж/кг.

Расход топлива В и требуется определить из уравнения теплового ба­ланса. В расчетах баланса теплоты используется низшая теплота сгорания топлива, так как продукты горения выбрасываются в атмосферу и скрытая теплота парообразования водяных паров не используется.

2. Физическая теплота подогретого воздуха в топках машинострои­тельной промышленности, которая поступает в тепловую установку обыч­но с нагретым воздухом Q,^. - и редко с нагретым газом Q,^:

Qi,^ = в св tB V ат, кДж/ч;

Qi, T = В сг 4 , кДж/ч, где tв, tr - температура воздуха и газа соответственно, °С; св, сг - удельная объемная изобарная теплоемкость воздуха при 4 и газа при tr соответствен­но, кДж/(м3 • К); V - теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания единицы топлива, м3/м3 (м3/кг); ат - коэффициент избытка возду­ха в топке.

При расчете следует учитывать, что в теплотехнологических установ­ках через неплотности в обмуровке подсасывается холодный воздух, по­этому под температурой воздуха 4 понимают средневзвешенную (по объе­му) температуру подогретого и подсасываемого воздуха.

3. Теплота экзотермических реакций Q^.

Тепловой эффект экзотермической реакции металлов, строительных и других материалов приведен в [29, 36, 37]. При нагреве стальных изделий, форм их поверхность окисляется и для стали можно принять:

Qэкз = 5670 Мо, кДж/ч;

Мо = 0,01 Мм 5,

Где 5670 - удельная теплота окисления, кДж/кг; М0 - масса окалины, обра­зовавшейся на металле, кг/ч; Мм - производительность печи, кг/ч; 5 - угар при нагреве, % (для стали 5 = 0,2.0,4).

4. Физическая теплота, вносимая в установку с транспортирующими устройствами, тарой Q-I и самим материалом Q^^:

Q-r = Мт ст tт, кДжІч;

Qф. м = Мм см tм, кДжіч,

Где Мт, Мм - масса транспортирующих устройств, тары и материала, вно­симых в печь, кгіч; ст, см - удельная теплоемкость транспортирующих устройств, тары и материала при 4 и 4 соответственно, кДжі(кг • К); 4, tм - температура транспортирующих устройств, тары и материала, °С.

5. Теплота, вводимая в топку теплотехнологической установки с па­ром при паровом распыливании мазута или под колосниковую решетку для улучшения процесса горения при слоевом сжигании угля:

Qi^^, = Gф (/'пар - 2510), кДжікг,

Где G,|, - расход пара на 1 кг топлива (при паровом распыливании мазута G(i, = 0,3.0,35 кгікг; при подаче пара под колосниковую решетку Gф = 0,2.0,4 кгікг); /пар - энтальпия пара, кДжікг, 2510 - энтальпия пара, сбра­сываемого с продуктами сгорания в атмосферу.

Расходная часть баланса теплоты

1. Теплота для нагрева материала до конечной температуры:

Qм = Gм см (4 - 4), кДжіч,

Где G„ - производительность установки, кгіч; см - теплоемкость материала при 4 , кДжі(кг • К); 4, 4 - начальная и конечная температуры материала, °С.

2. Потери теплоты с уходящими продуктами горения: а) в котельных агрегатах:

Qух = В Уух сух tух, кДжіч,

Где В - расход топлива, м3іч, кгіч; Уух - объем топочных газов, м3ікг, м3ім3, образовавшихся от сжигания 1 м3, 1 кг топлива при коэффициенте избытка воздуха в уходящих топочных газах а^; сух - теплоемкость уходящих га­зов, кДжі(кг • К) при температуре t^..

В теплотехнологических установках, работающих под разрежением, в связи с присосом воздуха ЕДа по газовому тракту, коэффициент избытка воздуха в уходящих газах аух увеличивается и на выходе равен:

Аух = ат + ЕДа.

Б) в установках для нагрева и обжига кусковых, порошкообразных материалов и суспензий (гипса, извести, глины, доломита, магнезита, це­мента и т. п.) потери теплоты с уходящими газами и с присосом воздуха через неплотности печи складываются из теплосодержания газов, образо­вавшихся при сгорании топлива и выделившихся при разложении сырье­вых материалов:

Qyx = (В Уух сух + Gм УГ1 сгі) tyx, кДжіч,

Где УГі - объем газов, образовавшихся при разложении 1 кг обожженного материала, м3ікг; сГ1 - теплоемкость газов, выделившихся из материала, кДжі(м3 • К).

Если из материала происходит выделение разнородных газов (СО2, N2 и др.), отличных по своей теплоемкости, то в скобках будет соответственно большее число слагаемых. Обжиг керамических изделий обычно происхо­дит без значительного выделения газов и поэтому в потерю теплоты с ухо­дящими газами газовыделение из материала можно не включать.

В) в нагревательных печах, у которых происходит выбивание продук­тов горения из рабочего пространства печи, потери теплоты с уходящими продуктами горения определяются:

Qух = (В Уух - ^выб) /ух сух, кДж/ч,

Где Увыб - объем продуктов горения, выбивающихся из рабочего простран­ства, м3/ч (см. расходную статью 5).

3. Потери теплоты через каждый участок кладки определяются из вы­ражения:

Q*. = Сткл [(^кл /100)4 - (Тв /100)4] F + ак (/кл - /в) F, кДж/ч,

Где сткл - коэффициент излучения наружной поверхности кладки, кДж/(м2 • ч • К4), для кирпичной кладки сткл = 20,1, для металлической об­шивки сткл = 18; /кл - температура наружной поверхности кладки расчетного участка, °С; Ткл = /кл + 273, К; Тв, /в - температура окружающего воздуха, К, °С, Тв = /в + 273 К; F - площадь поверхности расчетного участка, м2; ак - коэффициент теплоотдачи конвекцией от наружной поверхности кладки к окружающему воздуху, кДж/(м2 • ч • К).

Для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией от наружной поверхности кладки к окружающему воздуху ак можно использовать вы­ражение:

Ак = 4,18 A, А 2 [(/кл /в)//]0'25,

Где Aj - коэффициент, зависящий от положения стен, равный 1,0 для вер­тикальной поверхности, 1,3 - для горизонтальной поверхности, обращен­ной вверх, 0,7 - для горизонтальной поверхности, обращенной вниз; А2 - коэффициент, зависящий от температуры кладки и окружающего воздуха; / - определяющий размер, м, принимается равным высоте участка, располо­женного в вертикальной плоскости, или меньшей стороне участка, распо­ложенного в горизонтальной плоскости.

Коэффициент А 2 зависит от средней арифметической температуры на­ружной кладки и окружающего воздуха /ср = 0,5(/кл + /в), °С, и численно может быть принят равным А2 = 1,14 при /ср = 50; А2 = 1,09 при /ср = 100; А2 = 1,05 при /ср = 200; А2 = 0,95 при /ср = 300 °С.

4. Потери теплоты излучением через окна установки:

Q^ = ф со F Т0 [(Тп /100)4 - (Тв /100)4], кДж/ч,

Где ф - коэффициент диафрагмирования открытого отверстия, зависящего от его формы и отношения ширины отверстия а к толщине стенки 5; со = 20,5 кДж/(м2 • К4) - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела; F - площадь открытого отверстия, м ; т0 - время, в течение которого отвер­стие открыто, ч.

Значения коэффициента диафрагмирования открытого отверстия ф можно принять из нижеприведенной таблицы:

5) Потери теплоты с продуктами горения, выбивающимися из рабоче­го пространства. Вследствие разности давлений топочных газов и наружно­го воздуха через открытые проемы топки происходит выброс продуктов горения в окружающую среду.

QSm6 = Увыб 4ыб сух, кДжіч,

Где Увыб - объем выбивающихся продуктов горения, м3іч; tвыб - температура выбивающихся из топки продуктов сгорания, °С; сух - средняя изобарная объемная теплоемкость продуктов горения, выбивающихся из топки, кДжі(м3 • К).

Объем Увыб определяется из выражения:

Увыб = 3600f ю, м3іч,

Где f - площадь открытого отверстия (или щели), через которое происходит выбивание топочных газов, м2; ю - скорость вылета продуктов горения из отверстия, міс.

При полном сгорании топлива для приближенных расчетов сух можно пользоваться значениями средней теплоемкости из таблицы:

6. Потери теплоты с охлаждающей водой. В нагревательных и других тепловых установках очень часто устанавливают объемные металлические экраны, заполненные проточной водой. Такой экран снижает потери теплоты через загрузочные дверцы и окна топочной камеры.

Металлические экраны также снижают лучистый теплообмен в рабо­чей зоне установки. Тепловые потери с охлаждающей водой

G^ = G св(4 - tx), кДжіч,

Где G - расход воды на охлаждение данного элемента (объемного металли­ческого экрана), кгіч; 4, 4 - температура охлаждающей воды на выходе и входе в элемент, °С; см - удельная теплоемкость воды, кДжі(кг • К).

7. Потери теплоты с транспортирующими устройствами и тарой

QTI = Мтт 4к стт, кДжіч,

Где Мтт - масса транспортирующих устройств и тары, кг, выходящих из печи за 1 ч; 4, - температура материала транспортирующих устройств и тары конечная, °С; стт - удельная теплоемкость материала транспортирую­щих устройств и тары при 4k, кДжі(кг-К).

8. Потери теплоты с окалиной (только при нагреве металла)

Qoк = 0,01 Мм 5 Шок 4к сок, кДжіч,

Где Мм - производительность печи, кгіч; 5 - угар при нагреве металла, % (для железа 5 = 1.3 %); шок - масса окалины, образующейся от окисления 1 кг металла (« 1,4 для железа); t^ - температура окалины при выдаче из печи, °С; сок - удельная теплоемкость окалины при 4к, кДжі(кг-К), (сок « 1,05.1,25).

9. Потери теплоты от химического недожога топлива зависят от со­держания в уходящих газах СО, H2, СН4 и пр. Связанная с недожогом поте­ря теплоты определяется для каждого из компонентов.

Например, для СО

Q^h = 0,01 • 12 600 В УСГ МС0, кДжіч,

Где 12 600 - теплота сгорания СО, кДжім3; УСГ - объем сухих продуктов горения на единицу топлива при фактическом а; МС0 - содержание СО в продуктах горения, %.

Аналогично подсчитываются потери теплоты с другими продукта­ми неполного сгорания: теплота сгорания для H2 составляет 10 900 кДж/м3; для СН4 - 35 800 кДж/м3. Содержание в уходящих газах СО, H2, СН4 и пр. определяется путем химического анализа топочных газов. При полном сжигании топлива потери теплоты с химическим недожогом топлива при­нимают по практическим данным в зависимости от рода топлива.

Qх. н = 0,01^3 В Q/, кДж/ч,

Где q3 - химический недожог, %, от прихода теплоты при сгорании топлива (для экранированных топок можно принять q3 = 1,6 %; для неэкранирован - ных камерных топок q3 = 1,8.4 %).

10. Потери теплоты на химические реакции в нагреваемом материале при его обжиге

Qэнд = qх G4 , кДж/ч,

Где qх - расход теплоты на химические реакции с учетом эндотермических процессов на 1 кг обожженного материала, кДж/кг; Оч - часовая произво­дительность печи по массе обожженого материала, кг/ч.

11. Потери теплоты на испарение влаги из необожженного материала и перегрев паров до температуры уходящих газов

QHra = 0,0Шч1 ю0 (2487 + 1,96 /ух), кДж/ч,

Где GHi - часовая производительность печи по абсолютно сухому сырью, кг/ч; ю0 - влажность сырьевого материала, %, на абсолютную сухую массу; 2487 кДж/кг - скрытая теплота парообразования; 1,96 - массовая теплоем­кость водяного пара, кДж/(кг • К); /ух - температура уходящих газов, °С.

12. Потери теплоты с механическим недожогом топлива принимают по практическим данным в зависимости от рода твердого топлива и усло­вий его сжигания.

Qм. н = 0,01q4 В Q/, кДж/кг,

Где q4 - потери теплоты с механическим недожогом, % (из характеристики показателя топки).

13. Потери теплоты на аккумуляцию ограждающих конструкций (только для аппаратов и печей периодического действия)

Q^ = Ост сст (/ст1 - /ст2) • 103, кДж/ч,

Где Ост - масса ограждения или стен, перекрытия, пола, т; сст - массовая теплоемкость материала ограждения, кДж/(кг • К); /стЬ /ст2 - температура нагретого и холодного ограждения.

Таким образом, приходная часть баланса имеет вид:

Qnрих Qхим + Qф. в + Qф. г + Qэкз + Qт + Qф. м + Qпар.

Расходная часть теплового баланса для тепловых и теплотехнологиче­ских установок непрерывного действия имеет вид:

При решении уравнения баланса теплоты Qnp = Q^^ определяется ча­совой расход топлива В, м3іч или кгіч. После определения расхода топлива составляется сводная таблица баланса теплоты (табл. 5.1).

Учет топлива ведут в перерасчете на условное топливо (теплота сго­рания 29 308 кДжікг). Для сравнения полученного расхода топлива В с нормами производят также пересчет расхода условного топлива на единицу получаемого материала (кг условного топлива і кг материала).